數(shù)控車床XY軸工作臺(tái)和控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1、摘要 錯(cuò)誤 ! 未定義書(shū)簽。前言 錯(cuò)誤 ! 未定義書(shū)簽。一、畢業(yè)設(shè)計(jì)的目的、意義 4二、畢業(yè)設(shè)計(jì)的內(nèi)容 錯(cuò)誤 !未定義書(shū)簽。（一）畢業(yè)設(shè)計(jì)題目：?jiǎn)纹瑱C(jī)控制步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)的多用 XY 工作臺(tái)。 錯(cuò)誤 ! 未定義書(shū)簽。三、數(shù)控系統(tǒng)總體方案的確定 錯(cuò)誤 !未定義書(shū)簽。（一）系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)方式的確定 錯(cuò)誤 ! 未定義書(shū)簽。（二）伺服系統(tǒng)的選擇 錯(cuò)誤 !未定義書(shū)簽。（三）計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的選擇 錯(cuò)誤 !未定義書(shū)簽。（四）XY 工作臺(tái)的傳動(dòng)方式 錯(cuò)誤 !未定義書(shū)簽。四、機(jī)械部分設(shè)計(jì) 5（一）確定系統(tǒng)脈沖當(dāng)量 5（二）工作臺(tái)外形尺寸及重量初步估算 錯(cuò)誤 !未定義書(shū)簽。（三）滾動(dòng)導(dǎo)軌副的計(jì)算、選擇 錯(cuò)誤 !未定義書(shū)簽。（四

2、）滾珠絲杠計(jì)算、選擇 錯(cuò)誤 !未定義書(shū)簽。（五）齒輪計(jì)算、設(shè)計(jì) 11（六）步進(jìn)電機(jī)慣性負(fù)載的計(jì)算 12（七）步進(jìn)電機(jī)的選用 13五、數(shù)控系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì) 15（一）數(shù)控系統(tǒng)的硬件電路由以下幾部分組成： 15（二）主控制器CPU的選擇 15（三）存儲(chǔ)器擴(kuò)展電路設(shè)計(jì) 15（四）步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì) 1 6（五）其它輔助電路設(shè)計(jì) 1 7六、系統(tǒng)控制軟件的設(shè)計(jì) 18（一）系統(tǒng)控制軟件的主要內(nèi)容 1 8（二）系統(tǒng)控制功能分析 1 8（三）系統(tǒng)管理程序控制 1 9（四）自動(dòng)加工程序設(shè)計(jì) 1 9結(jié)束語(yǔ) 20參考資料 21數(shù)控車床XY軸工作臺(tái)和控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)摘要我設(shè)計(jì)的是車床XY軸工作臺(tái)和控制系統(tǒng)，采用單片機(jī)控

3、制步進(jìn)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)工作臺(tái)。首 先確定設(shè)計(jì)的總體方案，然后對(duì)車床的機(jī)械部分進(jìn)行設(shè)計(jì)，其中包括工作臺(tái)、滾動(dòng)導(dǎo)軌、 滾珠絲杠、步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的設(shè)計(jì)和選用，最后對(duì)數(shù)控系統(tǒng)硬件和軟件設(shè)計(jì)。新一代的CNC系統(tǒng)這類典型機(jī)電一體化產(chǎn)品正朝著高性能、智能化、系統(tǒng)化以及輕量、微型化方向發(fā)展。 關(guān)鍵詞：數(shù)控車床 XY 工作臺(tái) 控制系統(tǒng)一、當(dāng)今世界數(shù)控技術(shù)及裝備發(fā)展的趨勢(shì)及我國(guó)數(shù)控裝備技術(shù)發(fā)展和產(chǎn)業(yè)化的現(xiàn)狀 在我國(guó)對(duì)外開(kāi)放進(jìn)一步深化的新環(huán)境下 , 發(fā)展我國(guó)數(shù)控技術(shù)及裝備、提高我國(guó)制造業(yè) 信息化水平和國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)能力的重要性 , 并從戰(zhàn)略和策略兩個(gè)層面提出了發(fā)展我國(guó)數(shù)控技術(shù) 及裝備的幾點(diǎn)看法。裝備工業(yè)的技術(shù)水平和現(xiàn)代化程度決定著

4、整個(gè)國(guó)民經(jīng)濟(jì)的水平和現(xiàn)代化程度 , 數(shù)控技 術(shù)及裝備是發(fā)展新興高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)和尖端工業(yè)的使能技術(shù)和最基本的裝備 , 又是當(dāng)今先進(jìn) 制造技術(shù)和裝備最核心的技術(shù)。數(shù)控技術(shù)是用數(shù)字信息對(duì)機(jī)械運(yùn)動(dòng)和工作過(guò)程進(jìn)行控制的 技術(shù) , 而數(shù)控裝備是以數(shù)控技術(shù)為代表的新技術(shù)對(duì)傳統(tǒng)制造產(chǎn)業(yè)和新興制造業(yè)的滲透形成 的機(jī)電一體化產(chǎn)品 , 其技術(shù)范圍覆蓋很多領(lǐng)域。(一) 、數(shù)控技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)。數(shù)控技術(shù)的應(yīng)用不但給傳統(tǒng)制造業(yè)帶來(lái)了革命性的變化 , 使制造業(yè)成為工業(yè)化的象 征 , 而且隨著數(shù)控技術(shù)的不斷發(fā)展和應(yīng)用領(lǐng)域的擴(kuò)大 , 他對(duì)國(guó)計(jì)民生的一些重要行業(yè) IT、 汽車、輕工、醫(yī)療等的發(fā)展起著越來(lái)越重要的作用。從目前世界上數(shù)控

5、技術(shù)及其裝備發(fā)展 的趨勢(shì)來(lái)看 , 其主要研究熱點(diǎn)有以下幾個(gè)方面 :(1) 高速、高精加工技術(shù)及裝備的新趨勢(shì)(2) 5 軸聯(lián)動(dòng)加工和復(fù)合加工機(jī)床快速發(fā)展(3) 智能化、開(kāi)放式、網(wǎng)絡(luò)化成為當(dāng)代數(shù)控系統(tǒng)發(fā)展的主要趨勢(shì)(二) 、對(duì)我國(guó)數(shù)控技術(shù)及其產(chǎn)業(yè)發(fā)展的基本估計(jì)我國(guó)數(shù)控技術(shù)起步于 1958 年 , 近 50 年的發(fā)展歷程大致可分為三個(gè)階段：第一階段 從 1958 年到 1979 年 , 即封閉式發(fā)展階段。在此階段 , 由于國(guó)外的技術(shù)封鎖和我國(guó)的基 礎(chǔ)條件的制 , 數(shù)控技術(shù)的發(fā)展較為緩慢。第二階段是在國(guó)家的“六五” 、“七五”期間以及 “八五”的前期 , 即引進(jìn)技術(shù) , 消化吸收 , 初步建立起國(guó)產(chǎn)化

6、體系階段。在此階段 , 由于 改革開(kāi)放和國(guó)家的重視 , 以及研究開(kāi)發(fā)環(huán)境和國(guó)際環(huán)境的改善 , 我國(guó)數(shù)控技術(shù)的研究、開(kāi) 發(fā)以及在產(chǎn)品的國(guó)產(chǎn)化方面都取得了長(zhǎng)足的進(jìn)步。第三階段是在國(guó)家的“八五”的后期和 “九五”期間 , 即實(shí)施產(chǎn)業(yè)化的研究 , 進(jìn)入市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)階段?？v觀我國(guó)數(shù)控技術(shù)近 50 年的 發(fā)展歷程 , 特別是經(jīng)過(guò) 4 個(gè) 5 年計(jì)劃的攻關(guān) , 總體來(lái)看取得的成績(jī)還是不小。(三) 、對(duì)我國(guó)數(shù)控技術(shù)和產(chǎn)業(yè)化發(fā)展的戰(zhàn)略思考(1) 戰(zhàn)略考慮。我國(guó)是制造大國(guó) , 在世界產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)移中要盡量接受前端而不是后端的轉(zhuǎn) 移 , 所以 , 我們應(yīng)站在國(guó)家安全戰(zhàn)略的高度來(lái)重視數(shù)控技術(shù)和產(chǎn)業(yè)問(wèn)題。首先從社會(huì)安全 看 ,

7、因?yàn)橹圃鞓I(yè)是我國(guó)就業(yè)人口最多的行業(yè) , 制造業(yè)發(fā)展不僅可提高人民的生活水平 , 而 且還可緩解我國(guó)就業(yè)的壓力 , 保障社會(huì)的穩(wěn)定 ; 其次從國(guó)防安全看 , 西方發(fā)達(dá)國(guó)家把高精 尖數(shù)控產(chǎn)品都列為國(guó)家的戰(zhàn)略物質(zhì) , 對(duì)我國(guó)實(shí)現(xiàn)禁運(yùn)和限制 , “東芝事件”和“考克斯報(bào) 告”就是最好的例證。(2) 發(fā)展策略。從我國(guó)基本國(guó)情的角度出發(fā) , 以國(guó)家的戰(zhàn)略需求和國(guó)民經(jīng)濟(jì)的市場(chǎng)需求 為導(dǎo)向 , 以提高我國(guó)制造裝備業(yè)綜合競(jìng)爭(zhēng)能力和產(chǎn)業(yè)化水平為目標(biāo) , 用系統(tǒng)的方法 , 選擇 能夠主導(dǎo) 21 世紀(jì)初期我國(guó)制造裝備業(yè)發(fā)展升級(jí)的關(guān)鍵技術(shù)以及支持產(chǎn)業(yè)化發(fā)展的支撐技 術(shù)、配套技術(shù)作為研究開(kāi)發(fā)的內(nèi)容 , 實(shí)現(xiàn)制造裝備業(yè)的跨

8、躍式發(fā)展。 強(qiáng)調(diào)市場(chǎng)需求為導(dǎo)向 , 即以數(shù)控終端產(chǎn)品為主 , 以整機(jī)如量大面廣的數(shù)控車床、銑床、高速高精高性能數(shù)控機(jī)床、 曲型數(shù)字化機(jī)械、重點(diǎn)行業(yè)關(guān)鍵設(shè)備等 帶動(dòng)數(shù)控產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。重點(diǎn)解決數(shù)控系統(tǒng)和相關(guān)功 能部件 數(shù)字化伺服系統(tǒng)與電機(jī)、高速電主軸系統(tǒng)和新型裝備的附件等 的可靠性和生產(chǎn)規(guī) 模問(wèn)題。沒(méi)有規(guī)模就不會(huì)有高可靠性的產(chǎn)品 ; 沒(méi)有規(guī)模就不會(huì)有價(jià)值低廉而富有競(jìng)爭(zhēng)力的產(chǎn) 品;當(dāng)然 , 沒(méi)有規(guī)模中國(guó)的數(shù)控裝備最終難有出頭之日。、畢業(yè)設(shè)計(jì)的目的、意義機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì)畢業(yè)設(shè)計(jì)是培養(yǎng)學(xué)生設(shè)計(jì)能力的重要實(shí)踐性教學(xué)環(huán)節(jié)之一， 是綜合運(yùn)用所學(xué)過(guò)的機(jī)械、電子、自動(dòng)控制、計(jì)算機(jī)等知識(shí)進(jìn)行的基本設(shè)計(jì)訓(xùn)練。其目的

9、是：能夠正確運(yùn)用機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì)課程的基本理論和相關(guān)知識(shí)，掌握機(jī)電一體化 系統(tǒng)（產(chǎn)品）的功能構(gòu)成、特點(diǎn)和設(shè)計(jì)思想、設(shè)計(jì)方法，了解設(shè)計(jì)方案的擬定、比較、分 析和計(jì)算，培養(yǎng)學(xué)生分析問(wèn)題和解決問(wèn)題的能力，使學(xué)生具有機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì)的初步 能力；通過(guò)機(jī)械部分設(shè)計(jì)，掌握機(jī)電一體化系統(tǒng)典型機(jī)械零部件和執(zhí)行元件的計(jì)算、選型和 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法和步驟；通過(guò)測(cè)試及控制系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)，掌握機(jī)電一體化系統(tǒng)控制系統(tǒng)的硬件組成、工作原理, 和軟件編程思想；通過(guò)畢業(yè)設(shè)計(jì)提高學(xué)生應(yīng)用手冊(cè)、標(biāo)準(zhǔn)及編寫(xiě)技術(shù)說(shuō)明書(shū)的能力，促進(jìn)學(xué)生在科學(xué)態(tài) 度、創(chuàng)新精神、專業(yè)技能等方面綜合素質(zhì)的提高。二、畢業(yè)設(shè)計(jì)的內(nèi)容（一）畢業(yè)設(shè)計(jì)題目：已知條件：

10、定位精度：工作臺(tái)的有效行程為 vymax 2000mm / min單片機(jī)控制步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)的多用XY工作臺(tái)。 0.01mm滾珠絲杠及導(dǎo)軌使用壽命： T=15000h中等沖擊Lx 400mmLY 400mm 快速進(jìn)給速度 vxmax 2000mm / min和工作載荷 FZ 2000 N三、數(shù)控系統(tǒng)總體方案的確定 數(shù)控系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì)的內(nèi)容包括：系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)方式的確定，執(zhí)行機(jī)構(gòu)及傳動(dòng)方案的確 定，伺服電機(jī)類型及調(diào)速方案確定，計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的選擇。進(jìn)行方案的分析、比較和論 證。（一）系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)方式的確定 該系統(tǒng)要求工作臺(tái)沿各坐標(biāo)軸的運(yùn)動(dòng)有精確的運(yùn)動(dòng)關(guān)系因此采用連續(xù)控制方式。（二）伺服系統(tǒng)的選擇 開(kāi)環(huán)伺服系

11、統(tǒng)在負(fù)載不大時(shí)多采用功率步進(jìn)電機(jī)作為伺服電機(jī) . 開(kāi)環(huán)控制系統(tǒng)由于沒(méi) 有檢測(cè)反饋部件，因而不能糾正系統(tǒng)的傳動(dòng)誤差。但開(kāi)環(huán)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，調(diào)整維修容易， 在速度和精度要求不太高的場(chǎng)合得到廣泛應(yīng)用?？紤]到運(yùn)動(dòng)精度要求不高，為簡(jiǎn)化結(jié)構(gòu)，降低成本，宜采用步進(jìn)電機(jī)開(kāi)環(huán)伺服系統(tǒng)驅(qū) 動(dòng)。（三）計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的選擇采用MCS-51系列中的8031單片機(jī)擴(kuò)展控制系統(tǒng)。MCS-51單片機(jī)的主要特點(diǎn)是集成度高，可靠性好，功能強(qiáng)，速度快，性價(jià)比高?？刂葡到y(tǒng)由微機(jī)部分、鍵盤(pán)及顯示器、 I/O 接 口及光電隔離電路、步進(jìn)功率放大電路等組成。系統(tǒng)的工作程序和控制命令通過(guò)鍵盤(pán)操作 實(shí)現(xiàn)。顯示器采用數(shù)碼管顯示加工數(shù)據(jù)和工作狀態(tài)等信息

12、。（四）X 丫工作臺(tái)的傳動(dòng)方式 為保證一定的傳動(dòng)精度和平穩(wěn)性以及結(jié)構(gòu)的緊湊，采用滾珠絲杠螺母?jìng)鲃?dòng)副。為提高 傳動(dòng)剛度和消除間隙，采用有預(yù)加載荷的結(jié)構(gòu)。由于工作臺(tái)的運(yùn)動(dòng)部件重量和工作載荷不大，故選用滾動(dòng)直線導(dǎo)軌副，從而減小工作 臺(tái)的摩擦系數(shù)，提高運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)性?？紤]電機(jī)步距角和絲杠導(dǎo)程只能按標(biāo)準(zhǔn)選取，為達(dá)到分辨率的要求，以及考慮步進(jìn)電 機(jī)負(fù)載匹配，采用齒輪減速傳動(dòng)。系統(tǒng)總體框圖如下X向工作臺(tái)Y向工作臺(tái)1-3圖四、機(jī)械部分設(shè)計(jì)機(jī)械部分設(shè)計(jì)內(nèi)容包括：確定系統(tǒng)脈沖當(dāng)量，運(yùn)動(dòng)部件慣性的計(jì)算，選擇步進(jìn)電機(jī)， 傳動(dòng)及導(dǎo)向元件的設(shè)計(jì)、計(jì)算與選擇，繪制機(jī)械部分裝配圖等。（一 ）確定系統(tǒng)脈沖當(dāng)量脈沖當(dāng)量sp是一個(gè)進(jìn)給

13、指令時(shí)工作臺(tái)的位移量， 應(yīng)小于等于工作臺(tái)的位置精度，由于 定位精度為土 0.01mm因此選擇脈沖當(dāng)量為0.01mm（二）工作臺(tái)外形尺寸及重量初步估算根據(jù)給定的有效行程，畫(huà)出工作臺(tái)簡(jiǎn)圖，估算 X向和丫向工作臺(tái)承載重量 W帶口 WY取X向?qū)к壷武撉虻闹行木酁?410mm,丫向?qū)к壷武撉虻闹行木酁?400mm設(shè)計(jì)工作 臺(tái)簡(jiǎn)圖如下：工作臺(tái)簡(jiǎn)圖圖4-1X向拖板（上拖板）尺寸為：長(zhǎng) * 寬 * 高=420*410*50重量:按重量=體積*材料比重估算為：Wx= 420 410 50 10 3 7.8 10 2671.58N丫向拖板（下拖板）尺寸為：420 400 50重量wy=420 400 50 1

14、0 3 7.8 10 2655.2N上導(dǎo)軌(含電機(jī))重量為23(900 480 8 2 800 35 50) 7.8 1010487.97N夾具及工件重量：約155NX-Y工作臺(tái)運(yùn)動(dòng)部分總重量為：W 487.97 655.2 671.58 155 2000N(三)滾動(dòng)導(dǎo)軌副的計(jì)算、選擇根據(jù)給定的工作載荷Fz和估算的Wx和Wy計(jì)算導(dǎo)軌的靜安全系數(shù)fSL=C0/P,式中：C0 為導(dǎo)軌的基本靜額定載荷，kN;工作載荷P=0.5(Fz+W); fSL=1.03.0( 般運(yùn)行狀況)， 3.05.0 (運(yùn)動(dòng)時(shí)受沖擊、振動(dòng))。根據(jù)計(jì)算結(jié)果查有關(guān)資料初選導(dǎo)軌：因系統(tǒng)受中等沖擊,因此取fsL 4.0Co fsL

15、Px yPX,Y 0.5(Fz WX ,Y)FX =0.5(Fz +Wx )=0.5(2000+671.58)=1335.79NPY =0.5(F z +WY )=0.5(2000+655.2)=1327.6NCox=fsLPx=4 1335.79=5343.16NCOY=fSLPY=4 1327.6=5310.4N根據(jù)計(jì)算額定靜載荷初選導(dǎo)軌：選擇漢機(jī)江機(jī)床廠HJG-D系列滾動(dòng)直線導(dǎo)軌,其型號(hào)為：HJG-D25基本參數(shù)如下：表4-1額定載荷/N靜態(tài)力矩/N*M滑座重量導(dǎo)軌重量導(dǎo)軌長(zhǎng)度動(dòng)載荷Ca靜載荷CoTaTbTCKgKg / mL(mm)17500260001981982880.603.17

16、60滑座個(gè)數(shù)單向行程長(zhǎng)度每分鐘往復(fù)次數(shù)Mlsn40.64導(dǎo)軌的額定動(dòng)載荷Ca 17500NCa (kN)驗(yàn)算導(dǎo)軌的工作壽命Ln：TsK(fH fT fc CafWF )(4-1 )Fm警500fTh fWR 502,fc 0.81,fH 1,doTsK(fH fT fC Ca 31 1 0.81 17500fR50(2-5000)14240958km導(dǎo)軌的額定工依據(jù)使用速度V (m/min)和初選導(dǎo)軌的基本動(dòng)額定載荷 額定行程長(zhǎng)度壽命：作時(shí)間壽命:ThTs 1032lnThTs 1032ln(4-2)142409.58 103 494477h 2 0.6 4 6015000h導(dǎo)軌的工作壽命足夠

17、.(四) 滾珠絲杠計(jì)算、選擇IO=5mm初選絲杠材質(zhì)：CrWMi!岡，HRC5860導(dǎo)程:強(qiáng)度計(jì)算F kF絲杠軸向力： maXXf(Fz Wx,y ) (N)(4-3)其中：K=1.15，滾動(dòng)導(dǎo)軌摩擦系數(shù) f=0.0030005 ;在車床車削外圓時(shí)：Fx=(0.10.6)Fz ,Fy=(0.150.7)Fz,可取 Fx=0.5Fz, Fy=0.6Fz 計(jì)算。取 f=0.004,Fz400 則:FF 0.5FZFy 0.6FzFX1.150.52000 1000N2000 1200N1.150.61000 0.004(20001200 0.004(2000671.58) 1045.686N655

18、.2) 1252.621NL壽命值：60nT610 ，其中絲杠轉(zhuǎn)速Vmaxnl0 (r/min)(4-4)T 1500Ohlo2000400r/min60 如叮5000 36010最大動(dòng)載荷：Q 3 LfH fwF式中：fW為載荷系數(shù)，中等沖擊時(shí)為1.21.5 ; fH為硬度系數(shù)，HRO58時(shí)為1.0查表得中等沖擊時(shí)fw 1.2,fH1則：Qx 3 360 1.2 1 1045.686 7079.58NQy 3 360 1.2 1 1252.621 10686.54N根據(jù)使用情況選擇滾珠絲杠螺母的結(jié)構(gòu)形式，并根據(jù)最大動(dòng)載荷的數(shù)值可選擇滾珠絲 杠的型號(hào)為：CM系列滾珠絲桿副，其型號(hào)為：CM200

19、5-5其基本參數(shù)如下：滾珠絲杜副詳細(xì)醸數(shù)說(shuō)明*祖恂號(hào)X98Him琵竄胃、尺寸清杯孔LBD,60.0?hM419.517如2 5i&GliIMP37D6 IS391140罰IlD-M6-1? 3bs耐加2閔齊bhI40isIlOWCMZiVi-.k怎un1*T&ITitHOMiV11吋k ThMR27訕7i)11 56T. jtIlDqvJ*.51訂?氣aw1 rjrw7D4II平56嗎s,noLJJ9.51 -75325 J；7J.D 1ID |1145-品SBnol M2 5114-2.5422.30*25661厠SMJ托1150hl110MIS42 Mip Wjirni 1鈾61艮ftXb

20、i W-n -? 乎1 57MillTh1161-no伽2L5LWK的ZfeJrm1W5 圖4-2其額定動(dòng)載荷為14205N Qy足夠用.滾珠循環(huán)方式為外循環(huán)螺旋槽式，預(yù)緊方式采用雙螺母螺紋預(yù)緊形式滾珠絲杠螺母副的幾何參數(shù)的計(jì)算如下表表4-2名稱計(jì)算公式結(jié)果公稱直徑do20mm螺距t5 mm接觸角450鋼球直徑db3.175mm螺紋滾道法向半徑RR 0.52db1.651mm偏心距ee (R db 2)sin0.04489mm螺紋升角arctg do4033螺桿外徑dd do (0.2 0.25)db19.365mm螺桿內(nèi)徑dld! d0 2e 2R16.788mm螺桿接觸直徑d2d2 d0

21、dbcos17.755mm螺母螺紋外徑DD d0 2e 2R23.212mm螺母內(nèi)徑(外循環(huán))D1D, d0(0.2 0.255)db20.7mm傳動(dòng)效率計(jì)算tg絲杠螺母副的傳動(dòng)效率為：tg( )(4-5)式中：Gb -10,為摩擦角；丫為絲杠螺旋升角。tg)tg 4033tg (4 03310 )0.96穩(wěn)定性驗(yàn)算絲杠兩端采用止推軸承時(shí)不需要穩(wěn)定性驗(yàn)算剛度驗(yàn)算滾珠絲杠受工作負(fù)載引起的導(dǎo)程變化量為: 丫向所受牽引力大，故用丫向參數(shù)計(jì)算l1FlES (cm)(4-6)Fy 1252.621Nl00.5cmE 20.6 106(N/CM2)SR2 3.14(呼)2 2.14CM1251.82 0.

22、520.6 106 2.146.12 10 6CM絲杠受扭矩引起的導(dǎo)程變化量很小，可忽略不計(jì)。導(dǎo)程變形總誤差為100I。6.12 10 6 器12.2410 412.24ume級(jí)精度絲杠允許的螺距誤差 =15卩m/m(五) 齒輪計(jì)算、設(shè)計(jì)因步進(jìn)電機(jī)步距角b 1.5滾珠絲杠螺距t=5mm,要實(shí)現(xiàn)脈沖當(dāng)量p .01mm/step,在 傳動(dòng)系統(tǒng)中應(yīng)加一對(duì)齒輪降速傳動(dòng). 1 i(4-7)齒輪傳動(dòng)比：360 p，步進(jìn)電機(jī)步距角：a = 1.5 ?stepl0360 p1.5 5360 0.012.083Z2 iZ1取小齒輪齒數(shù)乙24則大齒輪齒數(shù)Z2 50大小齒輪材料均為45鋼由于軟齒面齒輪工藝簡(jiǎn)單、生產(chǎn)

23、率高，故選擇軟齒面齒輪。因傳遞的扭距較小，取模數(shù)m=1mi則：分度圓直徑：d1 mz11 24 24mmd2 mz1 50 50mm齒頂圓直徑：da1 (z1 2)m(24 2) 1 26mmda2 (Z22)m(502) 1 52mm齒根圓直徑:d fl(乙 2.5)m(24 2.5) 121.5mmd f 2 (Zi2.5)m(50 2.5) 147.5mm齒寬：b ddi 1 24 24mm取 b|25 b?30中心距：a 0.5(d1 d2)0.5(2450) 37mm分度圓壓力角：20大小齒輪均采用漸開(kāi)線標(biāo)準(zhǔn)圓柱齒輪小齒輪采用兩片薄齒輪錯(cuò)齒排列以消除間隙.雙片齒輪錯(cuò)齒消隙結(jié)構(gòu)圖如下1

24、、2-薄齒輪,3 彈簧,4、8 凸耳,5 調(diào)節(jié)螺釘,6、7螺母 雙片齒輪錯(cuò)齒消隙結(jié)構(gòu)圖圖4-3(六) 步進(jìn)電機(jī)慣性負(fù)載的計(jì)算根據(jù)等效轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的計(jì)算公式，有：(1)等效轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的計(jì)算 折算到步進(jìn)電機(jī)軸上的等效負(fù)載轉(zhuǎn)動(dòng)慣量為:JqJ。Ji (蘭)2Q2 J3)M()2Z2180 b (4-8)式中：Jq為折算到電機(jī)軸上的慣性負(fù)載；Jo為步進(jìn)電機(jī)軸的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量；J1為齒輪1的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量；J2為齒輪2的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量；J3為滾珠絲杠的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量；M為移動(dòng)部件的質(zhì)量 對(duì)鋼材料的圓柱零件可以按照下式進(jìn)行估算：J 0.78 10 3 D4 L(4-9)式中D為圓柱零件直徑，L為圓柱零件的長(zhǎng)度。所以有：J10.7810

25、32.442.56.4710 2kg.cm2J20.7810 35.043.0146.25 10 2 kg .cm2J30.7810 32.043037.4410 2kg.cm2電機(jī)軸的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量很小，可以忽略，所以有:224 220 0122Jd 6.47 10 2()2(146.25 37.44) 10 2 200()2250吐 1.5180(七) 步進(jìn)電機(jī)的選用(1) 步進(jìn)電機(jī)啟動(dòng)力矩的計(jì)算設(shè)步進(jìn)電機(jī)的等效負(fù)載力矩為T,負(fù)載力為P,根據(jù)能量守恒原理，電機(jī)所做的功與負(fù)載力所做的功有如下的關(guān)系：T Ps式中 為電機(jī)轉(zhuǎn)角，S為移動(dòng)部件的相應(yīng)位移，為機(jī)械傳動(dòng)的效率。若取b，則P，且 PR (G P

26、z)。所以:36 pPs(GPz)2b(4-10)式中：P一亠一亠p、s為移動(dòng)部件負(fù)載（N）， G為移動(dòng)部件質(zhì)里（N），z為與重力方向一致的作用在移動(dòng)部件上的負(fù)載力（N）,為導(dǎo)軌摩擦系數(shù)，b為步進(jìn)電機(jī)的步距角（rad） ,T為電機(jī)軸負(fù)載力矩（N.cm）取 =0.3 （淬火鋼滾珠導(dǎo)軌的摩擦系數(shù)）,=0 .8 ,巳=凡=279.23 N?？紤]到重力影響，Y向電機(jī)負(fù)載較大，因此G= 1200N，所以有：36 0.011251.82 0.03 (2000 1800)2 3.14 1.5 0.8考慮到啟動(dòng)時(shí)運(yùn)動(dòng)部件慣性的影響，則啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩:TqT0.3 0.5(4-11)取系數(shù)為o.：Tq65.250.4

27、163.12 n .cm對(duì)于工作方式為三相6拍的步進(jìn)電機(jī):TjmaxTq0.866163.120.866（2）步進(jìn)電機(jī)的最高工作頻率maxvmax60 r100060 0.011667為使電機(jī)不產(chǎn)生失步空載啟動(dòng)頻率要大于最高運(yùn)行頻率fmax,同時(shí)電機(jī)最大靜轉(zhuǎn)矩要足夠大，查表選擇兩個(gè)90BF001型三相反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)電機(jī)有關(guān)參數(shù)如下：表4-3型號(hào)主要技術(shù)參數(shù)相數(shù)步距角電壓(V)相電流(A)最大靜轉(zhuǎn) 矩TjJmax(n.m)空載啟動(dòng)頻率空載運(yùn)行頻率分配方式90BF00140.98073.92200080004相8拍外形尺寸(mm)重量kg轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)慣量Kg.m外直徑長(zhǎng)度軸直徑9014594.5176

28、4五、數(shù)控系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)（一）數(shù)控系統(tǒng)的硬件電路由以下幾部分組成：1主控制器。即中央處理單元 CPU2、總線。包括數(shù)據(jù)總線，地址總線，控制總線。3、存儲(chǔ)器。包括只讀可編程序存儲(chǔ)器和隨機(jī)讀寫(xiě)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器4、接口。即I/O輸入輸出接口。數(shù)控系統(tǒng)的硬件框圖如下所示：圖5-1（二）主控制器CPU的選擇MCS-51系列單片機(jī)是集中CPU,I/O端口及部分RAM等為一體的功能性很強(qiáng) 的控制器。只需增加少量外圍元件就可以構(gòu)成一個(gè)完整的微機(jī)控制系統(tǒng)，并且開(kāi)發(fā)手段齊 全，指令系統(tǒng)功能強(qiáng)大，編程靈活，硬件資料豐富。本次設(shè)計(jì)選用8 0 3 1芯片作為主控 -H- UL 心片。（三）存儲(chǔ)器擴(kuò)展電路設(shè)計(jì)（1）程序存儲(chǔ)器

29、的擴(kuò)展單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)中擴(kuò)展用的程序存儲(chǔ)器芯片大多采用EPROM芯片。其型號(hào)有：2716，2732，2764，27128，27258,其容量分別為2 k,4k,8k,16k32k。在選擇芯片時(shí)要考慮CPU與EPROM時(shí)序的匹配。8031所能讀取的時(shí)間必須大于EPROM所要求 的讀取時(shí)間。此外，還需要考慮最大讀出速度，工作溫度以及存儲(chǔ)器容量等因素。在滿足 容量要求時(shí)，盡量選擇大容量芯片，以減少芯片數(shù)量以簡(jiǎn)化系統(tǒng)。綜合以上因素，選擇2 764芯片作為本次設(shè)計(jì)的程序存儲(chǔ)器擴(kuò)展用芯片。于8031芯片的Po 口是分時(shí)傳送低8位地址線和數(shù)據(jù)線的，故8031擴(kuò)展系統(tǒng)中一定要(2) 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器的擴(kuò)展由于8031

30、芯片內(nèi)部RAh只有128字節(jié)供用戶使用，遠(yuǎn)不能滿足系統(tǒng)需要，因此需要擴(kuò) 展片外的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器(RA)常用的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器有 6116(2Kx8)，6264(8Kx8)等，這里我選 用 6264(8Kx8) 。( 3)譯碼電路由于這里擴(kuò)展的容量較大，擴(kuò)展多個(gè)外圍芯片。因此，這里使用譯碼法來(lái)進(jìn)行編址。 譯碼電路可使用現(xiàn)有的譯碼芯片，這里我們選用3-8譯碼器(74LS138。這種芯片，輸入端占用3根最高位地址線，剩余的13根低位地址線可作為片內(nèi)地址線，74LS138譯碼器的 8根輸出線分別對(duì)應(yīng)8個(gè)8K字節(jié)的地址空間。(4)1/0擴(kuò)展電路設(shè)計(jì)(a).通用可編程接口芯片8 15 58 0 3 1單片機(jī)共有4個(gè)

31、8位并行1/0接口，但供用戶使用的只有P 1 口及部分P 3 口線。因此要進(jìn)行1/0口的擴(kuò)展。8155與微機(jī)接口較簡(jiǎn)單，是微機(jī)系統(tǒng)廣泛使用的 接口芯片。(四) 步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)( 1 )脈沖分配器步進(jìn)電機(jī)的控制方式由脈沖分配器實(shí)現(xiàn)，其作用是將數(shù)控裝置送來(lái)的一系列指令脈沖 按一定的分配方式和順序輸送給步進(jìn)電機(jī)的各相繞組，實(shí)現(xiàn)電機(jī)正反轉(zhuǎn)。數(shù)控系統(tǒng)中通常 使用集成脈沖分配器和軟件脈沖分配器。本設(shè)計(jì)采用集成脈沖分配器 YB013。(2) 光電隔離電路 在步進(jìn)待年紀(jì)驅(qū)動(dòng)電路中，一般在接口電路與功率放大器之間家上光電隔離電路，實(shí) 現(xiàn)電氣隔離，通常使用光電偶合器作為光電隔離電路。( 3)功率放大器 環(huán)型

32、分配器的輸出脈沖很小，還遠(yuǎn)不能滿足步進(jìn)電機(jī)的要求，不許將它放大，以產(chǎn)生 足夠大的功率驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)正常運(yùn)轉(zhuǎn)，這里采用的功率放大電路如下圖所示：圖5-2功率放大器(五) 其它輔助電路設(shè)計(jì)( 1 ) 8 0 3 1的時(shí)鐘電路單片機(jī)的時(shí)鐘可由內(nèi)部方式產(chǎn)生，內(nèi)部方式利用芯片內(nèi)部的振蕩電路，在XTALi , XTAL2引腳上外接定時(shí)元件。如下圖所示6MPIZ8031XI ALLXTAL2圖5-3時(shí)鐘電路(2)復(fù)位電路單片機(jī)的復(fù)位電路都是靠外部電路實(shí)現(xiàn)，在時(shí)鐘電路工作后，只要在RESET引腳上出現(xiàn)10ms以上高電平，單片機(jī)便實(shí)現(xiàn)狀態(tài)復(fù)位，以后單片機(jī)便從OOOOH單元開(kāi)始執(zhí)行程序+5vRESET9031圖5-

33、4復(fù)位電路六、系統(tǒng)控制軟件的設(shè)計(jì)（一）系統(tǒng)控制軟件的主要內(nèi)容 數(shù)控系統(tǒng)是按照事先編好的控制程序來(lái)實(shí)現(xiàn)各種控制功能。按照功能可將數(shù)控系統(tǒng)的控制軟件分為以下幾個(gè)部分：（1）系統(tǒng)管理程序：它是控制系統(tǒng)軟件中實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)協(xié)調(diào)工作的主體軟件。其功能主要是接 受操作者的命令，執(zhí)行命令，從命令處理程序到管理程序接收命令的環(huán)節(jié)，使系統(tǒng)處于新 的等待操作狀態(tài)。（2）零件加工源程序的輸入處理程序。該程序完成從外部I/O 設(shè)備輸入零件加工源程序的任務(wù)。（3）插補(bǔ)程序。根據(jù)零件加工源程序進(jìn)行插補(bǔ)，分配進(jìn)給脈沖。（4）伺服控制程序。根據(jù)插補(bǔ)運(yùn)算的結(jié)果或操作者的命令控制伺服電機(jī)的速度，轉(zhuǎn)角以及 方向。（5）診斷程序。包括移動(dòng)不見(jiàn)移動(dòng)超界處理，緊急停機(jī)處理，系統(tǒng)故障診斷，查錯(cuò)等功能。（6）機(jī)床的自動(dòng)加工及手動(dòng)加工控制程序。（7）鍵盤(pán)操作和顯示處理程序。包括監(jiān)視鍵盤(pán)操作，顯示加工程序、機(jī)床工作狀態(tài)、操作 命令等信息。（二）系統(tǒng)控制功能分析數(shù)控 X-Y 工作臺(tái)的控制功能包括：（1）、系統(tǒng)初始化。如對(duì) I/O 接口 8155，8255A 進(jìn)行必要的初